一种聚光光伏玻璃

技术领域

本发明专利涉及一种聚光玻璃，特别是一种聚光光伏玻璃。

背景技术

光伏发电作为一种绿色能源，近年来得到快速发展。其大规模应用能提供可观的绿色能源，同时还能够改善应用区域的生态环境。据预测，按照目前太阳能电池发光效率，中国荒漠地区1-2％的面积覆盖太阳能电池，就能够满足中国全国使用的电量。本人的发明专利“调节空气中二氧化碳浓度抑制温室效应的方法及其装置(CN101116410 B)”和美国发明专利“APPARATUS AND METHOD FOR REGULATION OF CARBON DIOXIDE CONTENT INATMOSPHERE(US11960708)”提供了一种在荒漠地区大规模应用光伏发电和风力发电，并且在荒漠地区种植绿色植物，吸收空气中CO

目前对太阳能表面入射光进行调节的方法主要是聚光光伏(CPV)技术，利用透镜或反射镜等光学元件，将大面积的阳光通过聚光系统汇聚后的太阳光通过高转化效率的光伏电池直接转化为电能。公认有效的方法是采用菲涅尔凸镜将入射光聚焦到太阳能电池上，利用增强的光照强度获得更高的发电效率。虽然菲涅尔凸镜能将入射光聚焦，有效地提高光照效率，但是菲涅尔凸镜聚焦能力过强，聚焦后在太阳能电池板上形成焦点，焦点处的光电子密度最大，电位与周围部分有差别，在电池表面横向区会形成电位不同的点，两点之间会形成环流，降低电池发电效率。同时聚焦区温度升高，对热传导效率低的硅基太阳能电池不利。因此，这些方法通常用在热传导系数比较高的如GaAs或铜铟镓硒薄膜太阳能电池上，不能用于硅基太阳能电池。赛普留斯公司利用这种方法使用低成本镜头把太阳光线聚焦到微型砷化镓电池上，聚光强度达1100倍，在这一层上，培育多结太阳能电池结构，然后，晶圆经加工后，使用转移印花工艺，从砷化镓基板中上取下电池，把它们转移到内插晶圆上，获得发光效率达41％的砷化镓光伏电池，这一结果得到美国能源部国家再生能源实验室确认了这一研究成果。这种方法形成的光场是平面的，用于对小面积的微型砷化镓电池使用，电池表面各部分的光照强度几乎相同的，没有满足电池各部分对光照强度要求的差异性，由于聚光提高了电池表面的温度，这种方法在导热性能较差的硅基太阳能电池使用效果不理想。发明专利“一种微型聚光太阳能电池及其制备方法与流程(CN201811631705.8)”提供了一种使用小凸透镜形成的聚光镜制造铜铟镓硒薄膜电池的方法，使用小凸透镜能够获得一定的聚光效果，但是没有考虑反射光，聚光效果需要进一步加强，这种方法形成的聚光光束照在一定面积的多个电池片上，并不能满足电池各部分对光照强度要求的差异性，也不能有效减少栅电极表面的光照强度。发明专利“光反射膜及光伏电池组件(CN201910404026.5)”发明了一种在太阳能电池表面等部位镀包含多反射面的反射膜来增强电池表面光照强度的方法，对电池发电效率获得了一定的增益。实用新型专利“一种光反射膜及光伏电池组件(CN201720512091.6)”提供了一种包含多棱镜组成的反射膜，利用多棱镜面之间的角度分布提高反射膜的光照角度容允度，提高了反射效率，是电池的发电效率获得了一定的增益。但是这些方法没有对入射到栅线上的太阳光有针对性地处理，不能将栅线上的太阳光转移到N区，不能有效减少栅电极表面的光照强度。获得的反射光的方向性较差，不能在电池表面形成合理光照强度分布的光场，不能满足电池各部分对光照强度要求的差异性，提高的发电效率有限。

因此，需要发明出一种聚光封装玻璃，这种封装玻璃能够将入射太阳光强度合理分布，将栅线上的太阳光转移到N区，在太阳能电池表面形成光照强度合理分布的光场，满足电池各部分对光照强度要求的差异性，提高发电效率。

发明内容

为了实现本发明的目的，本发明提供了一种聚光光伏玻璃，其特征是所述的玻璃的表面是封装玻璃(1)，位于封装玻璃(1)下面上分成彼此相连多个聚光单元区，每个单元是由集成的微聚光透镜(2)组成的聚光区，微聚光透镜(2)的上表面(8)与封装玻璃(1)下表面紧密连接，下表面(10)与玻璃基体(4)连接，聚光区之间通过与聚光透镜(2)平行的纵向间隔(3)和与聚光透镜(2)垂直的横向间隔(5)相连接，玻璃基体(4)的下表面有微孔(6)和孔间间隔(7)。所述的封装层(1)是透明玻璃，其上表面经过钢化处理，并抛光成平面，便于表面清洁。所述的聚光单元区内的每个微聚光透镜(2)是上表面(8)为矩形的类半圆柱体，与玻璃基体(4)上表面相连的下表面(9)的面积大于上表面(8)，上下两个表面的两个径向侧面和两个轴向端面都是弧面连接，两个轴向弧度端面的弧度大于两个侧弧度面的弧度，这4个弧度面都类似于菲涅尔凸透镜的弧度面，相当于顶部为平面的半菲涅尔透镜。下表面(9)的轴向两端位于相应的两个横向间隔(5)的中间，横向间隔(5)将两个纵向相邻的聚光单元区连接。两个相邻聚光单元区对应的两个相邻微聚光透镜(2)的轴向端面构成两边的面为弧面的V形沟槽，为第一类沟槽，沟槽较宽。聚光区单元内两个相邻的微聚光透镜(2)的两个侧弧度面也构成两边的面为弧面的V形沟槽，为第二类沟槽，这部分沟槽的宽度小，沟槽最窄。横向相邻两个聚光单元区之间有纵向连接条(3)，其宽度通常比横向间隔(5)宽，位于其上的两个聚光微聚光透镜(2)分别属于两个相邻的聚光单元区，相邻的两个侧弧度面也构成两边的面为弧面的V形沟槽，为第三类沟槽，宽度最宽。三种沟槽在玻璃基体(4)上面排列，第二沟槽阵列和第三沟槽阵列平行，与第一沟槽阵列垂直。这些沟槽的弧面与菲涅尔透镜的弧面类似，对透过它们的光具有聚焦作用。所述的微孔(6)位于玻璃基体(4)的下表面，由微聚光透镜(2)聚光形成的通道(7)的间隔处，光强低，为暗区，微孔尺寸与暗区尺寸相匹配，微聚光透镜(2)聚光形成的通道(7)为亮区，与暗区相间。相邻的两个微孔(6)的尺寸相同，其相邻的两个弧面构成两腰为弧面的类似V形结构，凸弧面能使由上向下通过的光向两边亮区汇聚而聚光；同时对由下向上的光反射时，弧面构成凹面，对这部分光反射时也具有聚光反射作用。由于聚光区内的暗区尺寸与聚光区之间的纵向间隔(3)和横向间隔(5)尺寸和排列方式不同，微孔(6)有三种尺寸和排列方式，形成三种阵列小孔光栅：第一种微孔构成的光栅阵列1位于聚光区内玻璃基体(4)下表面的暗区，对应于玻璃基体上表面的横向间隔(5)，其作用是将暗区的残余光进一步向暗区两边亮区聚集。每个孔的径向尺寸较小，轴向尺寸与整个封装玻璃的纵向尺寸相同，孔数量较第二类微孔数量少，多于第三类微孔；第二类微孔构成的光栅阵列2位于两个相邻微聚光透镜(2)侧面连接线对应的玻璃基体(4)下表面暗区，这些侧面连接线很窄，因此微孔孔径最小，轴向尺寸与封装玻璃横向长度相同，数量最多，作用是将相交处没有被聚光透镜(2)侧弧面完全聚焦的残余光进一步聚焦到相邻的亮区，强化聚光能力。第三类小孔组成的光栅阵列3的小孔位于纵向间隔(3)下面的玻璃基体(4)下表面处，与纵向排列的阵列2平行，与阵列1垂直，其作用是将纵向间隔(3)下面没有被聚光透镜(2)完全聚光的残余光进一步向周围亮区聚焦，加强聚光能力。阵列3的小孔径向尺寸最大，数量最少，轴向长度与阵列1小孔轴长相同。这三种微孔(6)的作用是对由上而下的微聚光透镜(2)聚光剩余的残余光进一步聚光到相邻的亮区，同时对由下而上的入射光聚焦反射，达到强化微聚光透镜(2)聚光能力的目的。所述的孔间间隔(7)位于微聚光透镜(2)的聚光通道，孔间间隔(7)的面积为所在处光斑面积，其表面为平面，保证微聚光透镜(2)的微小聚光束通过玻璃的光路不发生改变，不影响微聚光透镜(2)的聚光能力。这样做的有益效果有：

1.将光伏电池导线所占5～15％面积对光伏发电无效的光通过封装玻璃的聚光到光伏电池上，提高太阳光利用效率。菲涅尔凸透镜弧面对入射光具有聚光作用，但是完整的菲涅尔凸透镜的凸弧面将入射的光线聚焦到一个点或区域，聚焦能力强，这种聚光技术会在电池表面形成环流并且导致电池局部温度过高的缺点，对热导率低的电池材料如硅等光伏发电不利。为此，本发明设计了聚光透镜(2)，该透镜两侧是弧面，上部为平面，这个平面会破坏菲涅尔凸透镜的凸弧面聚焦的完整性，使入射光不会聚焦到一个点而形成一个聚光束，两个弧面的焦点不同时，两侧的弧面各自对光聚集形成两条亮线而不会被聚焦到中间一点，中间平面通过的光不会被聚焦。因此会在透镜中间区域形成一个亮面，亮面的两侧是较亮的亮线，亮线与聚光透镜两边的区域较暗，为暗区。也就是将两侧弧面相邻区光汇聚到中间区域，两侧被汇聚的区域光线减弱形成暗区，相邻的聚光透镜集成在一起会形成明暗相间的光场，同时亮区最亮的部分在亮区两侧，不是集中在中间一点。这种光场适合太阳能电池N区表面的需要：同一聚光单元两个相邻的暗区设置到前电极栅线部位，使前电极上无太阳光，亮区两侧的高亮部位照射到前栅极的两侧，提高这部分的光照强度，这部分区域距离电极栅近，产生的光电流会很快进入栅极形成电流而不会局部聚集形成高电位区，不会产生横向环流；相邻两个不同聚光区的聚光透镜之间的暗区面积较大，可以跨越与前电极平行的主栅线，将这部分将向亮区聚集，在亮区边缘形成相互间隔短的高亮线，该亮线为短横线，有利于提高有效太阳能利用率。同时高亮部位的光照强度提高被分成两条纵线和一个短横线，提高的光照强度有限，这部分位置离栅线近，产生的光电子能很快被前栅极收集形成有效光电流，同时提高的光照强度产生的少量温度升高会被热导率高的栅极传导，被动散热，不会明显提高电池局部温度。位于聚光透镜(2)两端的弧面的效果与侧弧面效果相类似，在两端分别形成小暗区，相邻两个聚光单元相邻的两个聚光透镜的暗区线连接，跨越与前电极栅线垂直的主栅线，将该主栅线的太阳光向两边的硅片区聚集，提高太阳光利用率，并且不会明显提高电池温度。因此，这种聚光透镜可以用于硅基太阳能电池。调整聚光透镜(2)的侧面和端面的曲率半径能调整聚光效率。如果入射光角度不理想，通过聚光透镜上部平面后折射到侧面的弧面上，这时弧面相对于这部分光为凹面，能对这部分光聚焦反射，也有良好的聚光能力。增加聚光区层数，变成多层聚光，能够加强聚光效果，对入射方向不定的太阳光也能取到良好效果。特别需要说明，聚焦获得的光场分布符合玻璃下方太阳能电池使用需要就可以，并不一定需要聚焦光束的焦点一定在光伏电池表面。这种结构的聚光镜能够聚光的同时，避免菲涅尔透镜聚光的缺点，对提高光伏发电有利。

2.聚光透镜(2)根据情况，既可以与玻璃基体(4)分开制作，也可以与玻璃基体(4)同材质一体化制作。分开制作有利于制作的便利性，并且方便多层结构透镜叠加，组成多层聚光复合结构，进一步提高结构效果。一体化制作使透镜和基体之间无缝连接，没有连接界面，能有效降低光损耗。

3.位于玻璃基体(4)下面的3中小孔组成的弧面位于聚光透镜(2)聚光形成的暗区，第一类小孔对应于垂直于前栅极的主栅极，第二类小孔对应于前电极栅线，第三类小孔对应于平行于前电极栅线的主栅线。其作用有两种：一是对经过聚光透镜(2)聚光后形成的暗区残余的光线进一步聚光，这部分光由上向下，经过微孔为凸弧面，聚光行为与聚光透镜(2)相类似；其二是对从电池N区表面反射光及栅极线面上残余光引起的反射光进行反射聚焦，形成反射光栅，进一步加强聚光能力。也可以用多层小孔进一步提高聚光能力，提高对入射光的入射角容允度。

4.这种封装用聚光玻璃还可以与紧贴于下方的EVA薄膜配合使用，进一步加强聚光能力。将EVA上表面加工，使之对应于玻璃基体下表面的小孔部分形成合适形状的突起，当玻璃与薄膜紧贴时，这些突起会进入小孔中形成凸面，这些凸面对经过玻璃进入电池N区表面的光能起到进一步聚光作用。如果EVA膜成材质使用THF等折射率较高的薄膜，聚光能力会更好。

5.上述利用凸面对入射光聚光和凹面对反射光聚集性反光进行特别设计的玻璃系统，能够对透过玻璃成的阳光强度进行合理修饰，使均匀透过的光分离成具有合理布局的明暗相间的光场，满足太阳能电池N区表面对入射光强度分布的要求。同时使阳光不会过于聚集，避免导致N区横向环流和局部过热等情况发生。

附图说明

附图1是一种聚光单元的聚光玻璃系统正视结构图，附图2是两个相邻的聚光单元的聚光玻璃系统的俯视图。

具体实施方式

本发明具体实施方式可以通过下述实施例来说明。

实施例1：一种单层聚光层的石英白玻璃聚光光伏玻璃

首先将ZrO

在紧贴于聚光光伏玻璃底面的尺寸为1950×984×0.5mm的TPT材质的EVA薄膜表面上制作与聚光玻璃下表面小孔相对应的小突起，突起表面光滑，与聚光玻璃相应位置对准后与聚光玻璃压成一体，使TPT在小孔内形成凸面，由于TPT折射率为1.55左右，略微大于石英白玻璃的1.46折射率，这些凸面具有一定的聚光效果，能提高聚光效果，并增加太阳光的入射角适配度。这种结构的聚光玻璃对50°-150°范围内入射光聚光效果均明显，在大多数情况下都能适用。

实施例2：一种复合聚光层的石英白玻璃聚光光伏玻璃

为了进一步加强聚光效果，增加入射光容允角，用实施例1相类似的方法制作一种含双层聚光透镜(2)的复合聚光层的石英白玻璃聚光光伏玻璃。其方法是用尺寸为1950×984×3mm的石英白玻璃用实施例1使用的熔融印花法另外印制一层聚光透镜(2)及下体玻璃基体，其玻璃基体上半部聚光透镜下表面宽48.3mm，长为197.9mm，上表面宽5mm，长195.9mm，弧面高度为1.5mm的类半圆柱体，圆柱体两侧和两端的形状是弧面，圆柱体之间无缝连接，将聚光透镜(2)的每个弧面加工成绒面，减少光反射。将这层聚光透镜及下体玻璃基体安置在实施例1的封装玻璃(1)和聚光透镜(2)之间。玻璃基体下表面采用与实施例1相同的方法制作成相同孔间的微孔，并将紧贴于聚光光伏玻璃底面的尺寸为1950×984×0.5mm的TPT材质的EVA薄膜表面上制作与聚光玻璃下表面小孔相对应的小突起，突起表面光滑，与聚光玻璃相应位置对准后与聚光玻璃压成一体，使TPT在小孔内形成凸面，加强聚光效果。聚光透镜上面封盖一层1950×984×3mm的表面钢化的同材质石英白玻璃，以保护聚光层。这种结构含双层聚光透镜(2)，聚光效果得到加强。这种复合结构的聚光镜的入射光容允角明显增大，对40°-140°范围内入射光均有明显聚光效果。继续增加聚光层，效果会更明显，但是这些聚光层之间很难一体化，层与层之间会增加相界面，带来额外光损失，同时增加制作成本。因此，聚光层数应该根据实际需要进行调整。

实施例3：一种无微孔聚光层的石英白玻璃聚光光伏玻璃

用实施例1相类似的方法制作一种单层聚光透镜(2)的复合聚光层的石英白玻璃聚光光伏玻璃。其方法是用尺寸为1950×984×4mm的石英白玻璃用实施例1使用的熔融印花法印制一层聚光透镜(2)及下体玻璃基体，其玻璃基体上半部聚光透镜下表面宽48.3mm，长为197.9mm，上表面宽5mm，长195.9mm，弧面高度为1.5mm的类半圆柱体，圆柱体两侧和两端的形状是弧面，圆柱体之间无缝连接。将聚光透镜(2)的每个弧面加工成绒面，减少光反射。聚光透镜上面封盖一层1950×984×3mm的表面钢化的同材质石英白玻璃，以保护聚光层。这种结构的基体玻璃下表面不需要有微孔(6)，微平面。制造工艺较实施例1少一道程序，减少了加工难度。但是聚光效果与上面两个实施例相比较有所减弱。与实施例相比，入射光适配角范围在50°-150°之间无明显变化，但是入射光通过聚光玻璃后形成的明暗光场的锐度有所减弱，暗场残余光强度有所增加，特别是当入射角较大时，明暗光场分界线模糊，超过入射角范围后，暗场基本消失。

上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。